Что «тверже»: углеродные нанотрубки (УНТ) или алмаз? Ответ зависит от того, оказываете ли вы на него давление. С точки зрения твердости по шкале Мооса они сопоставимы -, твердость углеродных нанотрубок сравнима с твердостью алмаза. С точки зрения твердости по Виккерсу углеродные нанотрубки в естественном состоянии (185,1 HV) намного ниже, чем алмаз (порядка 10 000 HV). Но при холодном сжатии углеродных нанотрубок происходит чудо: они могут образовывать сверхтвердую фазу с модулем объемного сжатия 447 ГПа, причем значение твердости резко возрастает с исходных 185,1 ГПа до 241 ГПа (24 100 ГПа), что в 4 раза больше, чем у необработанного алмаза (примерно 60 ГПа). Это означает: при нормальных условиях алмаз тверже; после обработки высоким-давлением углеродные нанотрубки могут превзойти алмаз и стать «королем сверхтвердых материалов». Компания Shandong Tanfeng New Material обеспечивает -мульти-многостенные/одностенные-углеродные нанотрубки высокой чистоты, служащие идеальным сырьем для таких высокоэффективных-исследований.
1. Сначала определите стандарт: два типа «твердости», два ответа
Заключение:Что «тверже»: углеродные нанотрубки или алмаз? Это зависит от того, какой тип твердости вы измеряете. - Твердость по Моосу, твердость по Виккерсу и модуль объемного сжатия после фазового превращения сверх-высокого давления дают совершенно разные ответы.
Термин «твердость» в материаловедении имеет как минимум три значения. Разные методы измерения и разные условия дают совершенно разные выводы:
| Тип твердости | Метод измерения | Типичная стоимость бриллианта | Типичное значение углеродных нанотрубок |
|---|---|---|---|
| Твердость по Моосу | Царапины минералов друг о друга | 10 (самый высокий) | Сравним с алмазом. |
| Твердость по Виккерсу (нормальное состояние) | Алмазный индентор, прессование | Порядка 10 000 ВН (около 100 ГПа) | 185,1 HV (композитный материал) |
| Твердость по Виккерсу (фаза высокого-давления) | Измерено после холодного сжатия | Примерно 100-150 ГПа | 241 ГПа (нанодвойники алмазных пучков из УНТ) |
| Объемный модуль | Сопротивление сжатию | Примерно 440-442 ГПа | Холодно-сжатая фаза 447 ГПа |
Ключевое отличие заключается в следующем:Измеренное значение твердости углеродных нанотрубок в их естественном состоянии относительно невелико (особенно в композитах), но как только они подвергаются сильному сжатию, они превращаются в сверхтвердую фазу, которая тверже алмаза.
Примечание. Твердость по Виккерсу композитного материала из углеродных нанотрубок (например, алюминиевого сплава CNT/2024) составляет около 185 HV. Это значение отражает общую твердость композита, а не твердость самих углеродных нанотрубок. Исследования твердости отдельных углеродных нанотрубок проводятся в основном в области фазового превращения сверхвысокого давления.
2. Разборка в обычном штате: ничья по твердости по Моосу, победа по твердости по Виккерсу
Заключение:В «нормальных» условиях (нормальное давление, комнатная температура), с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, алмаз является абсолютным королем твердости. Показатели твердости углеродных нанотрубок в основном зависят от композитной матрицы.
2.1 Твердость по шкале Мооса: шейка и шейка
С точки зрения «взаимного царапания» твердость углеродных нанотрубок «сопоставима» с твердостью алмаза.
Углеродные нанотрубки состоят из атомов углерода, соединенных ковалентными связями sp², образующими шестичленную-кольцевую структуру, а алмаз состоит из трехмерного-каркаса из ковалентных связей sp³. Обе представляют собой углеродные-углеродные связи - одни из самых стабильных химических связей в природе. Поэтому, царапая друг друга, ни один из них не имеет явного преимущества перед другим.
С точки зрения непрофессионала:Алмаз может царапать стекло, и углеродные нанотрубки также могут царапать стекло - в этом измерении, и это две связи.
2.2 Твердость по Виккерсу: доминирует алмаз
Твердость по Виккерсу измеряют путем вдавливания алмазного индентора в поверхность материала и измерения глубины вдавливания. В этом тесте углеродные нанотрубки обычного состояния значительно уступают алмазу:
| Материал | Твердость по Виккерсу |
|---|---|
| Алмаз | Магнитуда примерно 100 ГПа (10 000 HV) |
| Композит из углеродных нанотрубок и алюминиевого сплава | Максимум примерно 185,1 HV после твердого раствора + старения. |
Разница примерно в 50 раз.
Но вот ключевой момент: 185 HV измеряет «углеродные нанотрубки + алюминиевый сплав». Все исследования -, которые действительно отражают твердость самих углеродных нанотрубок, проводятся с использованием другой системы «сверхвысокого давления» в лаборатории.
3. Момент «превращения»: приложите давление к углеродным нанотрубкам, и они станут тверже алмаза.
Заключение:Когда углеродные нанотрубки подвергаются холодному сжатию до давления выше примерно 75 ГПа (750 000 атмосфер), они превращаются в новую сверхтвердую углеродную фазу с модулем объемного сжатия, превышающим модуль объемного сжатия алмаза.
Это настоящий «козырь» углеродных нанотрубок.
3.1 Эксперимент по холодному сжатию: давление 75 ГПа запускает фазовый переход
В 2004 году группа под руководством Чжунву Ванга из Университета Аризоны опубликовала знаковое исследование.ПНАС. Они поместили многостенные углеродные нанотрубки в ячейку с алмазной наковальней и создали давление примерно 100 ГПа (около 1 миллиона атмосфер). Они обнаружили, что при давлении около 75 ГПа углеродные нанотрубки превращаются в совершенно новую гексагональную углеродную фазу.
Ключевые данные:
| Параметр | Ценить |
|---|---|
| Объемный модуль | 447 ГПа (при фиксированном K'=4), что превышает примерно 440–442 ГПа у алмаза. |
| Плотность | 3,6±0,2 г/см³, сравнимо с алмазом |
| Возможность восстановления | Эта фаза сохранялась в окружающей среде после сброса давления. |
Модуль объемной деформации является показателем «сопротивления материала сжатию» -, чем выше модуль объемной деформации, тем труднее материал сжимать под давлением. Фаза высокого-давления углеродных нанотрубок превосходит по этому показателю алмаз.
3.2 Связки алмазов, полученные нанодвойниками: рекордное-превышение 241 ГПа
В 2021 году группа под руководством профессора Чжао Чжишэна и профессора Сюй Бо из Университета Яньшань опубликовала исследование вПНАС. Используя в качестве исходных пленок высокоориентированные-многостенные углеродные нанотрубки, они синтезировали алмаз с преимущественно ориентированными пучками нанодвойников посредством обработки под высоким-высоким-давлением-температурой (HPHT).
Самые поразительные результаты:
| Параметр | Ценить |
|---|---|
| Твердость по Кнупу | До 241 ГПа, что более чем на 20% выше предыдущего мирового рекорда. |
Что означает 241 ГПа? Твердость по Кнупу необработанного алмаза (природного алмаза) обычно составляет 60–100 ГПа. Это означает, что «нанодвойник-алмаз», преобразованный из углеродных нанотрубок, в 2-4 раза тверже обычного алмаза.
Эксперимент также показал, что этот материал демонстрирует значительную механическую анизотропию: твердость варьируется в зависимости от ориентации пучков нанодвойников, при этом наибольшая твердость достигается, когда индентор перпендикулярен пучкам двойников.
4. «Теоретический потолок»: трехмерные-ковалентные углеродные нанотрубки.
Заключение:Теоретические расчеты предсказывают, что твердость по Виккерсу некоторых трехмерных полимеров ковалентных углеродных нанотрубок может достигать более 40 ГПа, находясь между кубическим нитридом бора и алмазом.
Помимо экспериментального синтеза, ученые использовали расчеты из первых-принципов для прогнозирования сверхтвердых полимеров углеродных нанотрубок, которые еще не были синтезированы.
| Имя структуры | Твердость по Виккерсу | Характеристики группы |
|---|---|---|
| CNP-oC36 | 40,4 ГПа | Полупроводник с непрямой запрещенной зоной (1,29 эВ) |
| CNP-oC40 | 37,1 ГПа | Полупроводник с непрямой запрещенной зоной (0,67 эВ) |
These structures can be considered as three-dimensional covalent crosslinked networks of carbon nanotubes with different chiralities. Their Vickers hardness has already entered the "ultrahard material" range (>40 ГПа обычно считается порогом для сверхтвёрдых материалов).
Хотя эти предсказания пока еще находятся на теоретической стадии, они предполагают, что потенциал трансформации углеродных нанотрубок в трехмерные сверхтвердые структуры намного превосходит нынешние представления.
5. Одна таблица для понимания: что «сложнее»?
| Условия тестирования/состояние | Алмаз | Углеродная нанотрубка | Победитель |
|---|---|---|---|
| Твердость по шкале Мооса (царапина) | 10 | Сравним с алмазом. | Галстук |
| Нормальное состояние Твердость по Виккерсу | ~100 ГПа | 185 ВВ (композитный материал) | Алмаз |
| Объемный модуль после холодного сжатия | ~440 ГПа | 447 ГПа | Углеродная нанотрубка |
| -Твердость по Виккерсу в фазе высокого давления | ~100 ГПа | 241 ГПа | Углеродная нанотрубка |
Окончательный ответ:
В нормальных условиях:Алмаз «тверже». При нормальных государственных испытаниях твердость алмаза по Виккерсу значительно превышает твердость композиционных материалов из углеродных нанотрубок.
Под давлением:Углеродные нанотрубки «тверже». Когда углеродные нанотрубки сжимаются выше 75 ГПа, они превращаются в сверхтвердый материал, который тверже алмаза -, будь то по объемному модулю (447 против 440 ГПа) или твердости по Виккерсу (241 против ~ 100 ГПа), они полностью превосходят алмаз.
Углеродные нанотрубки подобны «богу войны» в мире материалов -, при нормальных условиях они кажутся обычными, но как только их «третий глаз открывается» (прикладывается чрезвычайное давление), их твердость мгновенно превосходит алмаз и становится «королем сверхтвердых материалов».
6. Новый материал Шаньдун Танфэн: «сырьевая база» индустрии углеродных нанотрубок.
Компания Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. предлагает порошок много-/одностенных- углеродных нанотрубок высокой-чистоты (более или равный 98%), который служит идеальным сырьем для передовых-исследований, таких как фазовые переходы под высоким-давлением.
Будь то рекордное исследование-Университета Яньшань с давлением 241 ГПа или исследование фазового перехода холодного сжатия Университета Аризоны с давлением 75 ГПа, отправной точкой для обоих является высококачественное-сырье для углеродных нанотрубок.
Компания Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. является именно «источником энергии» на этом пути от «сырья к сверхтвердому».
| Размер преимущества | Прочность нового материала Tanfeng |
|---|---|
| Матрица продуктов | Полный спектр одностенных-/двустенных-/многостенных-углеродных нанотрубок (ОУНТ/ДУНТ/МУНТ) |
| Чистота продукта | Больше или равно 98 %, хорошая стабильность партии. |
| Процессы подготовки | Дуговой разряд, лазерная абляция, химическое осаждение из паровой фазы (CVD); владение несколькими процессами |
| Ключевые параметры | серия ТФ-210 и др.; размер частиц 5-15 мкм |
| Механические свойства | Теоретический модуль Юнга до 5 ТПа; прочность в 100 раз выше стали; вес 1/6 веса стали |
| Макет приложения | Семь стратегических направлений, включая транспортные средства на новых источниках энергии, аэрокосмическую отрасль, железнодорожный транзит. |
Команда Университета Яньшань смогла синтезировать мировой-рекордный материал с твердостью по Кнупу 241 ГПа, используя высококачественные-прекурсоры углеродных нанотрубок. Имея 20-летний опыт работы в отрасли углеродных материалов, компания Tanfeng New Material обеспечивает стабильную и надежную гарантию качества сырья для таких передовых-исследований.
Вывод: что сложнее? Ответ - Алмаз в нормальных условиях, углеродные нанотрубки под давлением
| Состояние | Сильнее | Ключевые данные |
|---|---|---|
| Нормальное давление и температура | Алмаз | Твердость по Виккерсу около 100 ГПа по сравнению с композитом УНТ 185 HV. |
| High Pressure (>75 ГПа) | Углеродные нанотрубки | Модуль объемной деформации 447 ГПа превышает алмаз; 241 ГПа — в четыре раза больше, чем у алмаза. |
Споры о твердости углеродных нанотрубок и алмаза в конечном итоге дают ответ, который является функцией - функции «давления». Приложите достаточное давление к углеродным нанотрубкам, и они превзойдут алмаз и станут «королем сверхтвердых материалов».
В этом заключается главное очарование углеродных нанотрубок: они могут быть достаточно «мягкими», чтобы скручиваться в нанопроволоки, и достаточно «твердыми», чтобы превосходить алмаз. От рекорда Университета Яньшань в 241 ГПа до стабильного выпуска углеродных нанотрубок Tanfeng New Material с чистотой более 98%, эти «дебаты о твердости» переходят от академических исследований к промышленной трансформации.